一种混合励磁开关磁链直线电机

摘要

本发明公开了一种混合励磁开关磁链直线电机，包括长定子和短动子；短动子包括电枢和磁极两部分，电枢包括电枢铁芯、永磁磁极以及电枢绕组，磁极包括励磁铁芯和励磁绕组。本发明电机把短动子分为两部分，一侧为电枢，另一侧为励磁磁极，但两者又相互独立，分别处于长定子的不同侧，既实现了磁通切换式结构的优点，也有效避免了励磁与永磁体以及电枢在电路和磁路上相互竞争的缺点，同时通过改变励磁绕组的电流可以方便的改变磁场大小，从而可以调节电枢绕组的磁通实现混合励磁，实现弱磁恒功率运行范围的提升以及过载能力的增加。

权利要求

1.一种混合励磁开关磁链直线电机，包括长定子和短动子；其特征在于：

所述长定子由多个调磁铁块呈直线排列组成；所述短动子为双边不对称结构，包括设于移动平台上且分别位于长定子两侧的电枢和磁极；所述电枢为齿状结构，所述磁极为凸极式结构，电枢的齿部以及磁极的凸极均对应朝向长定子且与长定子保有一定的气隙；

所述电枢包括电枢铁芯、永磁磁极以及电枢绕组，所述永磁磁极设置于电枢铁芯相邻两个电枢槽之间且与两侧槽壁形成电枢齿，所述电枢绕组套设于电枢齿上；所述磁极包括励磁铁芯和励磁绕组，所述励磁绕组套设于励磁铁芯的凸极上从而形成励磁磁极。

2.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：相邻永磁磁极的充磁方向相反，且充磁方向与短动子运动方向保持一致。

3.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：相邻励磁磁极的极性相反，且通过改变励磁电流的极性和大小能使得励磁磁极的极性和磁场强度发生改变，从而实现增磁或去磁。

4.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述励磁磁极与永磁磁极的个数相同，且励磁磁极正对着电枢槽。

5.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述永磁磁极个数相差调磁铁块个数1～2个。

6.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述长定子采用分离结构即相邻两个调磁铁块之间注入非导磁材料填充。

7.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述长定子采用连续结构即调磁铁块通过长螺栓固定。

8.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述电枢铁芯相对长定子的另一侧设有隔磁桥。

9.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述电枢绕组和励磁绕组均采用端部非重叠集中绕组，电枢绕组为半齿结构或全齿结构；当采用半齿结构时，即相邻两个电枢齿中只有一个电枢齿上套有电枢绕组；当采用全齿结构时，即每个电枢齿上均套有电枢绕组。

10.根据权利要求1所述的混合励磁开关磁链直线电机，其特征在于：所述电枢槽中设有容错齿，用以使相邻两电枢线圈隔离。

说明书

一种混合励磁开关磁链直线电机

技术领域

[0001] 本发明属于混合励磁直线电机技术领域，具体涉及一种混合励磁开关磁链直线电机。

背景技术

[0002] 直线电机把电能直接转换成机械能，不需要中间的传动部分，从而可以提高传动效率，同时由于不受离心力的影响，理论上速度也可以不受限制。近年来直线直接驱动领域的研究热点是永磁直线同步电机，其具有高推力密度、高效率、高速度、高加速度等优点，广泛应用于高速数控机床、半导体加工、垂直升降运输系统、高速地面运输系统等高性能领域，但是其推广应用的瓶颈在于成本，因为不管是采用长电枢，还是长永磁磁极的结构，整体成本都很高。

[0003] 而开关磁链永磁直线电机可以使永磁体放置在电枢侧形成短动子，兼具永磁电机与开关磁阻电机的优点，而长定子仅为凸极式的铁芯结构，从而使成本大大降低，因此近年来得到了越来越多的关注。但是开关磁链永磁直线电机磁场难以调节，不利于电机的高速运行。混合励磁电机由于能够方便的调节磁场的大小，从而可以提高电机的过载能力以及弱磁恒功率运行范围。

发明内容

[0004] 鉴于上述，本发明把混合励磁与直线开关磁链相结合，提供了一种采用混合励磁开关磁链的永磁直线同步电机，兼具混合励磁电机与开关磁链永磁直线电机的优点，推力密度高、运行速度高、成本低、结构简单、适用范围广泛，且磁场调节容易。

[0005] 一种混合励磁开关磁链直线电机，包括长定子和短动子；

[0006] 所述长定子由多个调磁铁块呈直线排列组成；所述短动子为双边不对称结构，包括设于移动平台上且分别位于长定子两侧的电枢和磁极；所述电枢为齿状结构，所述磁极为凸极式结构，电枢的齿部以及磁极的凸极均对应朝向长定子且与长定子保有一定的气隙；

[0007] 所述电枢包括电枢铁芯、永磁磁极以及电枢绕组，所述永磁磁极设置于电枢铁芯相邻两个电枢槽之间且与两侧槽壁形成电枢齿，所述电枢绕组套设于电枢齿上；所述磁极包括励磁铁芯和励磁绕组，所述励磁绕组套设于励磁铁芯的凸极上从而形成励磁磁极，当励磁电流为0或者没有励磁绕组时，则形成纯永磁结构。

[0008] 进一步地，相邻永磁磁极的充磁方向相反，且充磁方向与短动子运动方向保持一致。

[0009] 进一步地，相邻励磁磁极的极性相反，且通过改变励磁电流的极性和大小能使得励磁磁极的极性和磁场强度发生改变，从而实现增磁或去磁。

[0010] 进一步地，所述励磁磁极与永磁磁极的个数相同，且励磁磁极正对着电枢槽。

[0011] 进一步地，所述永磁磁极个数相差调磁铁块个数1～2个。

[0012] 优选地，所述长定子采用分离结构即相邻两个调磁铁块之间注入非导磁材料填充，能够增加电机的性能。

[0013] 优选地，所述长定子采用连续结构即调磁铁块通过长螺栓固定，可简化加工安装的工艺。

[0014] 进一步地，所述电枢铁芯相对长定子的另一侧设有隔磁桥。

[0015] 进一步地，所述电枢绕组和励磁绕组均采用端部非重叠集中绕组。

[0016] 进一步地，所述电枢绕组为半齿结构或全齿结构；当采用半齿结构时，即相邻两个电枢齿中只有一个电枢齿上套有电枢绕组；当采用全齿结构时，即每个电枢齿上均套有电枢绕组。

[0017] 优选地，所述电枢槽中设有容错齿，用以使相邻两电枢线圈隔离，可以减小相邻线圈之间的耦合程度，从而减小相邻线圈之间的互感，有利于提高电机的容错性能。

[0018] 本发明电机把短动子分为两部分，一侧为电枢，另一侧为励磁磁极，但两者又相互独立，分别处于长定子的不同侧，既实现了磁通切换式结构的优点，也有效避免了励磁与永磁体以及电枢在电路和磁路上相互竞争的缺点，同时通过改变励磁绕组的电流可以方便的改变磁场大小，从而可以调节电枢绕组的磁通实现混合励磁，实现弱磁恒功率运行范围的提升以及过载能力的增加。

[0019] 故本发明直线电机具有以下有益技术效果：

[0020] (1)本发明电机把励磁与永磁分别作为短动子的一侧，从而可以增大励磁侧槽的面积，即提高磁场的调节能力，通过改变励磁电流可以改变磁场的大小，适用于工业、民用、医药等需要长行程宽速大推力的应用场合，如数控机床、长距离物流输送线等。

[0021] (2)本发明电机中的长定子仅由调磁铁块组成，成本低廉，易于实现生产。

[0022] (3)本发明电机中的电枢与磁极结构与普通永磁直线电机相同，加工方便，成本低。

附图说明

[0023] 图1为本发明电机的第一种实施结构示意图。

[0024] 图2为图1结构的工作原理及磁场调节原理示意图。

[0025] 图3本发明电机的第二种实施结构示意图。

[0026] 图4本发明电机的第三种实施结构示意图。

[0027] 图5本发明电机的第四种实施结构示意图。

[0028] 图6本发明电机的第五种实施结构示意图。

[0029] 其中：1-长定子，11-调磁铁块，12-非导磁材料，2-短动子，21-电枢，211-电枢铁芯，212-永磁磁极，213-电枢绕组，214-隔磁桥，215-容错齿，22-磁极，221-励磁铁芯，222-励磁绕组。

具体实施方式

[0030] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0031] 实施例一：

[0032] 如图1所示，本实施例的混合励磁开关磁链直线电机，包括长定子1和短动子2，短动子2包括电枢21和磁极22，电枢21包括电枢铁芯211、永磁磁极212、电枢绕组213和隔磁桥214，磁极22包括励磁铁芯221和励磁绕组222；永磁磁极212交替排列组成，相邻永磁磁极
212充磁方向相反，充磁方向与运动方向保持一致，电枢21与磁极22都固定在移动平台上，两者相对静止，且都与长定子1保持一定的气隙长度。励磁绕组222套在励磁铁芯221的凸极上从而形成励磁磁极，相邻励磁磁极的极性相反，且通过改变励磁电流的极性和大小可以改变励磁磁极的极性和磁场强度。短动子励磁磁极个数与永磁磁极个数相同，位置上永磁磁极与励磁槽对齐，长定子调磁铁块个数与短动子永磁磁极个数相差1或2。

[0033] 长定子1由多个调磁铁块11组成，放置在整个行程上，相邻调磁铁块11之间部分可填充非导磁材料12，通过在调磁铁块11的长螺栓进行安装固定。对于短动子2，图1虚线框以外的部分是为了减小直线电机的纵向端部效应而增加的辅助部分。对于电枢部分，为端部辅助齿；对于励磁部分，为辅助励磁极。

[0034] 本实施例采用短动子2的形式，短动子2上的励磁磁链，通过长定子1后，进入电枢21中，与电枢绕组213相交链，显然在短动子2与长定子1相对位置不同时，电枢绕组213中交链的磁链在发生变化，在电枢绕组213中产生接近正弦的反电动势，且短动子2运动一个定子极距时电枢绕组213的磁链变化为一个周期，因此在电枢绕组213中通入三相正弦电压后，就会产生相应的三相正弦电流，从而产生电磁推力，推力动子实现直线运动。

[0035] 图2为本实施例中混合励磁开关磁链直线电机的工作原理，其中带箭头的虚线条表示励磁磁通的路径，而带箭头的实线表示永磁磁通的路径，显示了电枢绕组交链磁链的过程；在短动子中励磁槽与永磁磁极对齐，图2从左到右的四个子图中，第一个子图中短动子永磁磁极与长定子调磁铁块对齐，永磁磁极的磁链经调磁铁块短路，与此同时相邻励磁磁极的磁链也通过此调磁铁块短路，从而电枢绕组磁链为零；随着动子移动，其磁链增大，当动子运动1/4倍定子极距时，永磁磁链经过调磁铁块全部进入电枢，与电枢绕组交链，励磁磁链也全部与电枢绕组交链(第二个子图所示励磁与永磁磁通方向相同，即为增磁状态，否则为弱磁状态)，励磁与永磁磁链叠加从而使得电枢绕组的磁链达到最大值；动子继续移动，磁链开始减小，当电枢齿完全移出长定子调磁铁块时，电枢齿正好处于两个调磁铁块之间，即对应第三个子图，永磁磁极的磁链由这两块调磁铁块短路，同时相邻的励磁磁极产生的励磁磁链也通过这两块调磁块以及永磁体短路，即励磁产生的总磁链为0，所以电枢交链磁链为0；再随着动子再移动1/4倍定子极距，即对应第四个子图，穿过电枢线圈的永磁磁链方向反向，磁链反方向增加，此时励磁磁极产生的磁链均反向通过电枢线圈，因此电枢绕组的磁链达到最小值，显然电枢绕组的磁链是正负交变的，基本为正弦型，是双极性磁链。图2所示为增磁状态，当为弱磁状态时，励磁磁链的方向相反。

[0036] 在短动子中永磁磁极与励磁侧的槽对齐，励磁磁极与永磁磁极构成并联式磁路，从而不会对永磁体产生不可逆退磁。当励磁磁场与永磁磁场两者相加时，处于增磁状态；相反情况下则处于弱磁状态。

[0037] 实施例二：

[0038] 图3所示结构为实施例一的一种变形结构，与图1的不同之处在于省去隔磁桥，从而使得短动子的铁芯可以采用模块化的U型结构，降低生产成本，缺点是相邻永磁磁极之间的排斥力导致安装困难。

[0039] 实施例三：

[0040] 如图4所示，本实施例针对的是实施例一、实施例二的长定子结构，其主要不同点为：长定子中的调磁铁块采用连续结构，并由在调磁铁块中采用长螺栓来进行确定固定，优点是简化加工工艺，缺点是降低了推力密度。

[0041] 实施例四：

[0042] 如图5所示，本实施例是针对实施例一的另一种变形结构，其主要的不同之处在于采用半齿电枢绕组。

[0043] 实施例五：

[0044] 如图6所示，本实施例是针对实施例一的另一种变形结构，通过在电枢槽中增加容错齿215，可以减小相邻线圈之间的耦合程度，从而减小相邻线圈之间的互感，有利于提高电机的容错性能。

[0045] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。